CN113328532A - 一种基于电场感应的取能电源及取能方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于电场感应的取能电源及取能方法，所述取能电源包括：取能电极，用于在高压输电导线所产生的交变电场的作用下产生空间位移电流；取能电极包括内电极层、外电极层和设置在内电极层和外电极层之间的电介质层；整流储能模块，用于将空间位移电流整流成直流电流，并基于直流电流为取能电容充电；放电控制模块，用于在阈值电压下将取能电容的电能存储至所述储能电容；阈值电压基于放电控制模块的结构被确定，阈值电压包括放电阈值电压和充电阈值电压；稳压模块，用于在储能电容输出的电压处于稳压的状态时，将储能电容所储存的电能提供给负载。该取能电源能提高取能电源的输出功率，增强取能电源的带负载能力，实现为负载连续供电。

Description

一种基于电场感应的取能电源及取能方法

技术领域

本申请涉及电力系统在线监测设备技术领域，尤其是涉及一种基于电场感应的取能电源及取能方法。

背景技术

在高压输电线路或杆塔上安装的输电线路在线监测装置需要持续可靠的电能供电才可完成对输电线路的监测，目前，现有的输电线路在线监测装置的供电方式主要为自主取能和传输取能。这里，自主取能的方法主要包括：电池供电、电流线圈供电、太阳能电池供电和电场感应取能供电等，由于电池供电、电流线圈供电和太阳能电池供电的方式具有受环境因素影响大、体积大及结构复杂等局限，难以满足现场要求。而基于电场感应取能供电的电场感应取能电源凭借其受环境因素影响小、不需要蓄电池和寿命长等优点目前受到了研究界的普遍重视。

目前，基于电场感应取能电源包括依次级联的取能模块、整流储能模块、放电控制模块和稳压模块(如图1所示)。上述取能电源的取能模块中所使用金属感应极板与高压输电导线具有一定距离的平面型或者弧面型金属感应极板，这种金属感应极板与高压导线之间的耦合电容较小，从而产生的位移电流较小。此外，储能电容的放电导通阈值电压和放电截止阈值电压较低且难以控制，使取能电路的输入电压平均值较小，在位移电流一定时，使取能电路的输入功率较低。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种基于电场感应的取能电源，一方面，该取能电源的取能电极采用双感应电极结构，缩短了两个带电导体的距离，以增大空间位移电流；另一方面，通过设计放电控制模块中的开关驱动电路，确定放电阈值电压和充电阈值电压，以提高取能电容在充放电过程的平均功率，进而提高取能电源的输出功率，增强取能电源的带负载能力，实现为负载连续供电。

本申请实施例提供了一种基于电场感应的取能电源，所述取能电源包括取能电极、整流储能模块、取能电容、放电控制模块、储能电容和稳压模块；

所述取能电极，用于在高压输电导线所产生的交变电场的作用下产生空间位移电流；所述取能电极包括内电极层、外电极层和设置在所述内电极层和所述外电极层之间的电介质层；所述电介质层填充有绝缘材料所述电介质层的厚度沿着所述高压输电导线延伸方向不完全相同；

所述整流储能模块，用于将所述空间位移电流整流成直流电流，并基于所述直流电流为所述取能电容充电；

所述放电控制模块，用于在阈值电压下将所述取能电容的电能存储至所述储能电容；所述阈值电压基于所述放电控制模块的结构被确定，所述阈值电压包括放电阈值电压和充电阈值电压；

所述稳压模块，用于在所述储能电容输出的电压处于稳压的状态时，将所述储能电容所储存的电能提供给负载。

进一步的，所述电介质层的厚度沿着所述高压输电导线延伸方向不完全相同包括：所述电介质层在所述高压输电导线延伸方向上两端的厚度大于中间的厚度。

进一步的，所述内电极层套在所述高压输电导线上，所述内电极层的一个连接端与所述高压输电导线连接，所述外电极层的一个连接端与所述整流储能模块的一个输入端连接；

或者，所述外电极层悬置于所述高压输电导线之下，所述外电极层的一个连接端与所述高压输电导线连接，所述内电极层的一个连接端与所述整流储能模块的一个输入端连接；

或者，所述外电极层悬置于杆塔上，所述杆塔用于支撑所述高压输电导线，所述内电极层的一个连接端与所述高压输电导线连接，所述外电极层的一个连接端与所述整流储能模块的一个输入端连接。

进一步的，所述放电控制模块包括：开关驱动电路、第一开关器、平波电抗器以及续流二极管；

所述开关驱动电路，用于监测所述取能电容的电压，并根据监测的所述取能电容的电压产生控制所述第一开关器导通或者关断的电平信号；

所述第一开关器，用于根据接收的所述开关驱动电路所产生的电平信号导通或者关断；

所述平波电抗器，用于在所述第一开关器导通时，在对所述取能电容产生的直流电流进行滤波后，为所述储能电容、所述稳压模块和所述负载充电；

所述续流二极管，用于在所述第一开关器关断时，为所述平波电抗器提供电流通路，以使所述储能电容为所述稳压模块和所述负载充电。

进一步的，所述开关驱动电路在监测到所述取能电容的电压上升至所述放电阈值电压时，产生控制所述第一开关器导通的高电平信号；并在监测到所述取能电容的电压下降至所述充电阈值电压时，产生控制所述第一开关器关断的低电平信号。

进一步的，所述开关驱动电路包括：电压采样分压电路、电容器、电压滞回比较电路以及电压倒向比例电路；

所述电压采样分压电路，用于对监测到的所述取能电容的电压进行分压，以得到第一分压和第二分压；所述第一分压用于对所述电容器进行充电；

所述电容器，用于为所述电压滞回比较电路和所述电压倒向比例电路提供工作电能；

所述电压滞回比较电路，用于基于所述电容器两端的电压确定电压门限值，并根据所述第二分压和所述电压门限值的比较结果产生初始电平信号；所述电压门限值包括电压上门限值和电压下门限值；

所述电压倒向比例电路，用于获取所述初始电平信号，并将所述初始电平信号反向，得到控制所述第一开关器导通或者关断的电平信号。

进一步的，所述电压采样分压电路包括第一电阻、第二电阻和第三电阻；

所述阈值电压基于所述放电控制模块的结构被确定包括：基于第一电阻、第二电阻、第三电阻、所述电压上门限值和所述电压下门限值，确定所述阈值电压。

进一步的，所述电压滞回比较电路在所述第二分压小于所述电压上门限值时，产生并输出高电平信号；

在所述第二分压上升至所述电压上门限值时，产生并输出低电平信号；

在所述第二分压下降至所述电压下门限值时，产生并输出高电平信号。

进一步的，所述开关驱动电路还包括：第二开关器，所述第二开关器根据所述第一分压导通或者关断；

当所述第二开关器导通时，所述取能电容对所述电容器进行充电；

当所述第二开关器关断时，所述取能电容停止对所述电容器进行充电。

本申请实施例还提供了一种基于电场感应的取能方法，所述取能方法应用于任一所述的基于电场感应的取能电源，所述取能电源包括取能电极、整流储能模块、取能电容、放电控制模块、储能电容和稳压模块，所述取能方法包括：

由所述取能电极在高压输电导线所产生的交变电场的作用下产生空间位移电流；所述取能电极包括内电极层、外电极层和设置在所述内电极层和所述外电极层之间的电介质层；所述电介质层填充有绝缘材料所述电介质层的厚度沿着所述高压输电导线延伸方向不完全相同；

由所述整流储能模块将所述空间位移电流整流成直流电流，并基于所述直流电流为所述取能电容充电；

由所述放电控制模块在阈值电压下将取能电容的电能存储至所述储能电容；所述阈值电压基于所述放电控制模块的结构被确定，所述阈值电压包括放电阈值电压和充电阈值电压；

由所述稳压模块在所述储能电容输出的电压处于稳压的状态时，将所述储能电容所储存的电能提供给负载。

本实施例提供的一种基于电场感应的取能电源及取能方法，包括取能电极、整流储能模块、取能电容、放电控制模块、储能电容和稳压模块：取能电极，用于在高压输电导线所产生的交变电场的作用下产生空间位移电流；所述取能电极包括内电极层、外电极层和设置在所述内电极层和所述外电极层之间的电介质层；所述电介质层填充有绝缘材料所述电介质层的厚度沿着所述高压输电导线延伸方向不完全相同；整流储能模块，用于将所述空间位移电流整流成直流电流，并为所述取能电容充电；放电控制模块，用于将所述取能电容的电能存储至所述储能电容；稳压模块，用于在所述储能电容输出的电压处于稳压的状态时，将所述储能电容所储存的电能提供给负载。与现有技术相比，一方面，该取能电源的取能电极采用双感应电极结构，缩短了两个带电导体的距离，以增大空间位移电流；另一方面，通过设计放电控制模块中的开关驱动电路，确定放电阈值电压和充电阈值电压，以提高取能电容在充放电过程的平均功率，进而提高取能电源的输出功率，增强取能电源的带负载能力，实现为负载连续供电。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本申请实施例所提供的一种现有技术中取能电源的结构示意图；

图2示出了本申请实施例所提供的一种基于电场感应的取能电源的结构示意图；

图3示出了本申请实施例所提供的取能电极的结构示意图；

图4示出了本申请实施例所提供的取能电极纵切面的结构示意图；

图5示出了本申请实施例所提供的整流储能模块的结构示意图；

图6示出了本申请实施例所提供的放电控制模块的结构示意图；

图7示出了本申请实施例所提供的放电控制模块的电路通路的一个示例的结构示意图；

图8示出了本申请实施例所提供的放电控制模块的电路通路的另一个示例结构示意图；

图9示出了本申请实施例所提供的开关驱动电路的结构示意图；

图10示出了本申请实施例所提供的开关驱动电路的电压传输特性关系图；

图11示出了本申请实施例所提供的一种基于电场感应的取能方法的流程图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的每个其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在高压输电线路和杆塔上安装的输电线路在线监测装置需要持续可靠的电能供电才可完成对输电线路的监测，目前，现有的输电线路在线监测装置的供电方式主要为自主取能和传输取能。这里，自主取能的方法主要包括：电池供电、电流线圈供电、太阳能电池供电和电场感应取能供电等，由于电池供电、电流线圈供电和太阳能电池供电的方式具有受环境因素影响大、体积大及结构复杂等局限，难以满足现场要求。而基于电场感应取能供电的电场感应取能电源凭借其受环境因素影响小、不需要蓄电池和寿命长等优点目前受到了研究界的普遍重视。

目前，基于电场感应取能电源包括依次级联的取能模块、整流储能模块、放电控制模块和稳压模块(如图1所示)。上述取能电源的取能模块中所使用金属感应极板与高压输电导线具有一定距离的平面型或者弧面型金属感应极板，这种金属感应极板与高压导线之间的耦合电容较小，从而产生的位移电流较小。此外，储能电容的放电导通阈值电压和放电截止阈值电压较低且难以控制，使取能电路的输入电压平均值较小，在位移电流一定时，使取能电路的输入功率较低。

基于此，本申请实施例提供了一种基于电场感应的取能电源，一方面，该取能电源的取能电极采用双感应电极结构，缩短了两个带电导体的距离，以增大空间位移电流；另一方面，通过设计放电控制模块中的开关驱动电路，确定放电阈值电压和充电阈值电压，以提高取能电容在充放电过程的平均功率，进而提高取能电源的输出功率，增强取能电源的带负载能力，实现为负载连续供电。

图2为本申请实施例所提供的一种基于电场感应的取能电源的结构示意图。

如图2中所示，本申请实施例提供的基于电场感应的取能电源包括：取能电极110、整流储能模块120、取能电容130、放电控制模块140、储能电容150和稳压模块160。

具体来说，取能电极110用于在输电导线200所产生的交变电场的作用下产生空间位移电流。

这里，所述取能电极110包括内电极层111、外电极层112和设置在所述内电极层111和所述外电极层112之间的电介质层113(如图3所示)；所述电介质层113填充有绝缘材料所述电介质层113的厚度沿着所述输电导线200延伸方向不完全相同。

作为示例，所述内电极层111和所述外电极层112的材料可以为铝、铜、铁中的任意一种。所述电介质层填充的绝缘材料可以包括：环氧浇注料固化物和酚醛树脂，此外，电介质层填充的绝缘材料还可以为其他的绝缘材料，本申请在此不做任何限定。此外，作为示例，所述电介质层113的厚度沿着所述输电导线200延伸方向不完全相同可包括所述电介质层113在所述输电导线200延伸方向上两端的厚度大于中间的厚度。

作为示例，取能电极110可以通过以下方式进行安装并与所述输电导线200和所述整流储能模块120进行连接：

方式一：所述内电极层111套在所述输电导线200上，所述内电极层111的一个连接端与所述输电导线200连接，所述外电极层112的一个连接端与所述整流储能模块120的一个输入端连接。

方式二：所述外电极层112悬置于所述输电导线200之下，所述外电极层112的一个连接端与所述高压输电导线200连接，所述内电极层111的一个连接端与所述整流储能模块120的一个输入端连接。

方式三：所述外电极层112悬置于杆塔上，所述杆塔用于支撑所述高压输电导线200，所述内电极层111的一个连接端与所述高压输电导线200连接，所述外电极层112的一个连接端与所述整流储能模块120的一个输入端连接。

下面，将结合图3来详细对取能电极110的结构进行说明。

图3为本申请实施例所提供的取能电极110的结构示意图。如图3所示，取能电极110采用双感应电极结构，即，取能电极110由内电极层111、外电极层112和设置在内电极层111和外电极层112之间电介质层113组成，并且，内电极层111和外电极层112为具有相同对称轴的曲面，在本实施例中，内电极层111是套在高压输电导线200上的，那么，内电极层111的一个连接端将与高压输电导线200连接，外电极层112的一个连接端将与整流储能模块120的一个输入端连接。这里，内电极层111和外电极层112的材料为铝，并且电介质层113所填充的材料为环氧浇注料固化物。此外，电介质层113的厚度沿着高压输电导线200延伸方向上两端的厚度大于中间的厚度。

图4为本申请图3中所示实施例所提供的取能电极110的纵切面的结构示意图。这里，假设沿着高压输电导线200的方向为纵方向，垂直于高压输电导线200的方向为横方向，则如图3所示的取能电极110的纵切面的结构示意图为沿高压输电导线的中心轴的纵方向对取能电极100进行切割所得到的纵切面。通过纵切面可以看出，内电极层111母线的曲率半径与外电极层112母线的曲率半径相同。

作为示例，A1为在内电极层111两端位置的一端中选取的一点，从A1作垂直于高压输电导线200的垂直线，A2为该垂直线与外电极层112的交点，那么，A1到A2的距离L1就可以用来表示电介质层113两端的厚度，同时，C1为在内电极层111两端位置的另一端中选取的一点，从C1作垂直于高压输电导线200的垂直线，C2为该垂直线与外电极层112的交点，那么，C1到C2的距离L3就可以用来表示电介质层113两端的厚度，此外，选取内电极层111的中间位置点为B1，从B1作垂直于高压输电导线200的垂直线，B2为该垂直线与外电极层112的交点，B1到B2的距离为L2就可以用来表示电介质层113中间的厚度，从图中可以看出，L1与L3相等，且均大于L3，内电极层111和外电极层112之间的电介质层113的厚度沿着高压输电导线200的方向上具有两端的厚度大于中间的厚度的特征。

通过这种将电介质层113设置为沿着高压输电导线200的方向上两端的厚度大于中间的厚度的方式，可以降低边缘效应，使内电极层111与外电极层112之间产生相对均匀的交变电场。

进一步的，取能电极110通过以下方法获得空间位移电流：

内电极层111通过与高压输电导线200连接，获得与高压输电导线200相同的交变电压，并且内电极层111、外电极层112和整流储能模块120构成一个完整回路，在内电极层111与外电极层112之间产生交变电场，在交变电场的作用下，产生空间位移电流，通过以下公式可以得出空间位移电流的近似值I_D：

式中，ε为电介质层所填充的材料的介电常数，l为内电极层111(外电极层112)曲面所正对的中心轴线的长度，ω为高压输电导线200(即内电极层111)的电压角频率，

为高压输电导线200(即内电极层111)的相电压，r₁为内电极层111距中心轴线的最短距离(即内电极层111中心位置距轴线的距离)，r₂为外电极层112距中心轴线的最短距离(即外电极层112中心位置距轴线的距离)。

这样，在一定的电压等级下，通过设计内电极层111、外电极层112的尺寸，以改变参数r₁、r₂以及l，从而获得较大的空间位移电流I_D。

请参见图5，图5为图2所示出的取能电源中的整流储能模块120的结构示意图。

如图5所示，整流储能模块120是由四个二极管(D1、D2、D3、D4)构成的一个整流桥电路，整流桥电路的一个输入端接取能电极110的外电极层112，整流桥电路的另一个输入端接大地300，整流桥电路的一个输出端接取能电容130的正极，整流桥电路的另一个输出端接取能电容130的负极。

这里，使用交流电流源输出的i_D等效空间位移电流I_D，i_D经过整流桥电路121整流为直流电流I_d，该直流电流I_d近似为恒流电流源，可以对取能电容130充电。

图6为图2所示出的取能电源中的放电控制模块140的结构示意图。

如图6所示，放电控制模块140包括：开关驱动电路141、第一开关器V1、平波电抗器L、续流二极管VD、第一分压电阻R_S以及第二分压电阻R_D。

具体说来，第一分压电阻R_S的一端与取能电容130的正极连接，第一分压电阻R_S的另一端与第二分压电阻R_D的一端连接，第二分压电阻R_D的另一端分别与取能电容130和储能电容150的负极连接，从第一分压电阻R_S和第二分压电阻R_d之间引出第一监测点F，第一监测点F与开关驱动电路141的正极输入端连接，开关驱动电路141的负极输入端分别与取能电容130和储能电容150的负极连接，开关驱动电路141的输出端与第一开关器V1的栅极连接，第一开关器V1的集电极与取能电容130的正极连接，第一开关器V1的发射极分别与平波电抗器L及续流二极管VD的一端连接，平波电抗器L的另一端与储能电容150的正极连接，续流二极管VD的另一端分别与取能电容130和储能电容150的负极连接，此外，用后级电路等效电阻R_L等效整流储能模块120与负载，后级电路等效电阻R_L的一端与储能电容的正极连接，后级电路等效电阻R_L的另一端与储能电容的负极连接。

开关驱动电路141根据第一监测点F处取能电容130的电压，产生用于控制第一开关器V1导通或者关断的电平信号。作为示例，第一开关器V1为电压驱动型器件，可以采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

作为示例，当第一监测点F处取能电容130的电压上升至放电阈值电压U_on时，开关驱动电路141产生控制第一开关器V1导通的高电平信号，当第一开关器V1导通时，放电控制模块140的电路通路如图7所示，第一开关器V1相当于导线，取能电容130的正极与平波电抗器L一端连接，平波电抗器L的另一端分别与后级电路等效电阻R_L的一端及储能电容150的正极连接，后级电路等效电阻R_L的另一端与储能电路的负极连接，储能电容150的负极与取能电容130的负极连接。此时，取能电容130在充电的同时，对平波电抗器L、储能电容150以及后级电路等效电阻R_L放电，但放电电流远大于充电电流，取能电容130的电压下降，储能电容150的电压上升，同时，平波电抗器L在避免电流过冲的同时，能够储存少量电能。

作为示例，当第一监测点F处取能电容130的电压下降至充电阈值电压U_off时，开关驱动电路141产生控制第一开关器V1关断的低电平信号，当第一开关器V1关断时，放电控制模块140的电路通路如图8所示，续流二极管VD的一端与平波电抗器L的一端连接，续流二极管VD的另一端与储能电容150的负极连接，平波电抗器L的另一端分别与后级电路等效电阻R_L的一端及储能电容150的正极连接，后级电路等效电阻R_L的另一端与储能电路的负极连接。此时，取能电容130停止对储能电容150放电，但是仍保持充电状态，因此，取能电容130的电压上升，同时，储能电容150对后级电路等效电阻R_L放电，储能电容150电压下降，续流二极管VD为平波电抗器L提供电流通路。

需要注意的是，在空间位移电流I_D一定时，放电控制模块140的设计直接影响到取能电容130的充放电功率的大小。因为每次取能电容130的充电过程与放电过程均相同，所以通过计算一个周期内取能电容130的充放电过程的平均功率，即可得到整个电路充放电过程的平均功率。假设取能电容130每次放电释放电能ΔE，取能电容130的电容值为C_g，取能电容130每次从充电阈值电压U_off充电至放电阈值电压U_on的时间为Δt，放电时间相比于充电时间可以忽略不计，则有

联立式(2)和式(3)即可得出取能电容130每次充放电过程的平均功率P_i：

式中，U_i为放电控制模块140的输入端平均电压值，U_i＝(U_on+U_off)/2。

根据式(4)可知，想要提高放电控制模块140的充放电过程的平均功率，应尽可能的提高取能电容130的充电阈值电压U_off和放电阈值电压U_on，以及空间位移电流I_d的大小。

其中，通过设计开关驱动电路141可以实现提高取能电容130的充电阈值电压U_off和放电阈值电压U_on的目的。

图9为图6所示出的放电控制模块140中的开关驱动电路141的结构示意图。

如图9所示，开关驱动电路141包括：电压采样分压电路1411、第二开关器V2、电容器C_m、电压滞回比较电路1412和电压倒向比例电路1413。

具体说来，电压采样分压电路1411的一端与取能电容130的正极连接，电压采样分压电路1411的另一端与取能电容130的负极连接，电压采样分压电路1411的第一输出端与第二开关器V2的栅极连接，电压采样分压电路1411的第二输出端与电压滞回比较电路1412的反相输入端连接，第二开关器V2的集电极与取能电容130的正极连接，第二开关器V2的发射极分别与电容器C_m的一端和电压滞回比较电路1412的同相输入端连接，电容器C_m的另一端与取能电容130的负极连接，电压滞回比较电路1412的输出端与电压倒向比例电路1413的反相输入端连接，电压倒向比例电路1413的同相输入端与取能电容130的负极连接，电压倒向比例电路1413的输出端与第一开关器V1的栅极连接。

作为示例，电压采样分压电路1411，用于对监测到的取能电容130的电压进行分压，以得到第一分压U₁和第二分压U₂，其中第一分压U₁用于对电容器C_m进行充电；电容器C_m，用于为电压滞回比较电路1412和电压倒向比例电路1413提供工作电能；电压滞回比较电路1412，用于基于电容器C_m两端的电压确定电压门限值，并根据第二分压U₂和电压门限值U_T的比较结果产生初始电平信号，其中，电压门限值U_T包括电压上门限值U_T2和电压下门限值U_T1；电压倒向比例电路1413，用于获取初始电平信号，并将初始电平信号反向，得到控制第一开关器V1导通或者关断的电平信号。

在本申请的一个示例中，电压采样分压电路1411可包括：第一电阻R1、第二电阻R2以及第三电阻R3。具体说来，第一电阻R1的一端与取能电容130的正极连接，第一电阻R1的另一端与第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端与第三电阻R3的一端连接，第三电阻R3的另一端与取能电容130的负极连接，电压采样分压电路1411的第一输出端位于第一电阻R1和第二电阻R2之间，以输出第一分压U₁，电压采样分压电路1411的第二输出端位于第二电阻R2和第三电阻R3之间，以输出第二分压U₂。

电压采样分压电路1411的工作过程如下：电压采样分压电路1411第一输出端与第二开关器V2的栅极连接，第二开关器V2的发射极与电容器C_m的一端连接，通过控制第二开关器V2导通或者关断，从而控制电容器C_m的充电，当第二开关器V2的栅极-发射极电压大于第二开关器V2的导通电压时，第二开关器V2导通，电容器C_m充电，电压上升，而第二开关器V2的栅极-发射极电压下降，当第二开关器V2的栅极-发射极电压不大于第二开关器V2的导通电压时，第二开关器V2关断，电容器C_m停止充电。电压采样分压电路1411通过控制第二开关器V2的导通或者关断，以控制电容器C_m充电，使电容器C_m两端的电压稳定在特定电压范围内。

在本申请的一个示例中，电压滞回比较电路1412可包括：第一运算放大器A1、第四电阻R4以及第五电阻R5。具体说来，第一运算放大器A1的同相输入端分别与第四电阻R4的一端及第五电阻R5的一端连接，第四电阻R4的另一端与电容器C_m连接，第五电阻R5的另一端分别与取能电容130的负极及第一运算放大器A1的输出端连接，第一运算放大器A1的反相输入端与电压采样分压电路1411的第二输出端连接。

在本申请的一个示例中，电压倒向比例电路1413可包括：第二运算放大器A2、第六电阻R6以及第七电阻R7。其中，第六电阻R6的一端与第一运算放大器A1的输出端连接，第六电阻R6的另一端分别与第二运算放大器A2的反相输入端及第七电阻R7的一端连接，第二运算放大器A2的同相输入端与取能电容130的负极连接，第七电阻R7的另一端与第二运算放大器A2的输出端连接，第二运算放大器A2的输出端与第一开关器V1的栅极连接。

此外，作为示例，如图9所示的开关驱动电路141还包括：第一限流电阻R8、第二限流电阻R9、第三限流电阻R10、第一稳压二极管D_Z1以及第二稳压二极管D_Z2。其中，第一限流电阻R8的一端与取能电容的正极连接，第一限流电阻R8的另一端与第二开关器V2的集电极连接，第二限流电阻R9的一端分别与第二开关器V2的发射极及电容器C_m的一端连接，第二限流电阻R9的另一端分别与第四电阻的一端和第一稳压二极管D_Z1的一端连接，第一稳压二极管D_Z1的另一端与取能电容130的负极连接，第三限流电阻R10的一端与第一运算放大器A1的输出端连接，第三限流电阻R10的另一端分别与第五电阻R5的一端及第六电阻R6的一端连接，第二稳压二极管D_Z2的一端分别与第五电阻的一端、第六电阻的一端及第一运算放大器A1的输出端连接，第二稳压二极管D_Z2的另一端与取能电容130的负极连接。

例如，第一限流电阻R8、第二限流电阻R9以及第三限流电阻R10用于限值所在支路电流的大小，以防电流过大烧坏所串联的元器件。第一稳压二极管D_Z1用于对电容器C_m两端的电压进行稳压后产生输出电压U_Ref作为参考电压输入至电压滞回比较电路1412的同相输入端，第二稳压二极管D_Z2用于对电压滞回比较器的输出电压进行稳压后产生输出电压±U_Z输入至第二运算放大器A2的反相输入端。

基于图9所示的开关驱动电路141的工作过程如下：当电压采样分压电路1411的第二输出端输出第二分压U₂正比于取能电容130两端(即放电控制模块140的输入端)的电压；当第二分压U₂小于电压滞回比较电路1412的电压上门限值U_T2时，电压滞回比较电路1412产生并输出高电平信号，电压倒向比例电路1413将高电平信号反向，输出低电平信号，从而控制第一开关器V1关断，此时，取能电容130仅充电，不放电，取能电容130两端的电压上升，第二分压U₂也随之上升。

进一步的，当第二分压U₂上升至电压滞回比较电路1412的电压上门限值U_T2时，电压滞回比较电路1412产生并输出低电平信号，电压倒向比例电路1413将低电平信号反向，输出高电平信号，从而控制第一开关器V1导通，此时，取能电容130在充电的同时，向储能电容150放电，取能电容130两端的电压下降，第二分压U₂也随之下降。

进一步的，当第二分压U₂下降在电压滞回比较电路1412的电压下门限值U_T1时，电压滞回比较电路1412产生并输出高电平信号，电压倒向比例电路1413将高电平信号反向，输出低电平信号，从而控制第一开关器V1关断，此时，取能电容130仅充电，不放电，取能电容130两端的电压上升，第二分压U₂也随之上升，进入下一个充放电过程的循环。

基于上述开关驱动电路141的工作过程，可以得出开关驱动电路141的电压传输特性。

图10为本申请实施例提供的开关驱动电路141的电压传输特性关系图。

如图10所示，U₂为电压采样分压电路1411的第二输出端输出第二分压，即电压滞回比较电路1412的输入端电压，U_T2为电压滞回比较电路1412的电压上门限值，U_T1为电压滞回比较电路1412的电压下门限值，U₀为电压倒向比例电路1413的输出电压。当电压滞回比较电路1412的输入端电压U₂小于电压滞回比较电路1412的电压上门限值U_T2时，电压倒向比例电路1413输出低电平；当电压滞回比较电路1412的输入端电压U₂上升至电压滞回比较电路1412的电压上门限值U_T2时，电压倒向比例电路1413输出高电平；当电压滞回比较电路1412的输入端电压U₂下降在电压滞回比较电路1412的电压下门限值U_T1时，电压倒向比例电路1413输出低电平。

作为示例，可以通过以下公式得出电压滞回比较电路1412的电压下门限值U_T1和电压上门限值U_T2：

进一步的，基于上述实施例中开关驱动电路141的结构，可以通过以下公式，基于电压滞回比较电路1412的电压下门限值U_T1和电压上门限值U_T2得出开关驱动电路141的放电阈值电压U_on和充电阈值电压U_off：

式中，U_Th为第二开关器件V2的导通电压。

这样，通过调节电阻R1、R2和R3的阻值即可获得较高的放电阈值电压U_on和充电阈值电压U_off，从而提高放电控制模块140的充放电过程的平均功率。

作为示例，稳压模块160包括直流稳压芯片MC34063及其外围电路，其中，将储能电容150的输出电压作为稳压模块160的输入电压输入至稳压模块160，并输出电压至负载。其中，直流稳压芯片MC34063能够实现将2.5～40V范围内的输入电压转换为稳定的+5V和+3.3V输出电压，输出电流为10mA～1.5A，带负载能力强，损耗较低。

本实施例提供的一种基于电场感应的取能电源，包括取能电极、整流储能模块、取能电容、放电控制模块、储能电容和稳压模块：取能电极，用于在高压输电导线所产生的交变电场的作用下产生空间位移电流；所述取能电极包括内电极层、外电极层和设置在所述内电极层和所述外电极层之间的电介质层；所述电介质层填充有绝缘材料所述电介质层的厚度沿着所述高压输电导线延伸方向不完全相同；整流储能模块，用于将所述空间位移电流整流成直流电流，并为所述取能电容充电；放电控制模块，用于将所述取能电容的电能存储至所述储能电容；稳压模块，用于在所述储能电容输出的电压处于稳压的状态时，将所述储能电容所储存的电能提供给负载。与现有技术相比，一方面，该取能电源的取能电极采用双感应电极结构，缩短了两个带电导体的距离，以增大空间位移电流；另一方面，通过设计放电控制模块中的开关驱动电路，确定放电阈值电压和充电阈值电压，以提高取能电容在充放电过程的平均功率，进而提高取能电源的输出功率，增强取能电源的带负载能力，实现为负载连续供电。

基于同一发明构思，本申请实施例中还提供了与基于电场感应的取能电源对应的基于电场感应的取能方法，由于本申请实施例中的装置解决问题的原理与本申请实施例上述方法相似，因此装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。

请参阅图11，图11为本申请实施例所提供的一种基于电场感应的取能方法的流程图，所述取能方法应用于任一所述的基于电场感应的取能电源，所述取能电源包括取能电极、整流储能模块、取能电容、放电控制模块、储能电容和稳压模块，所述取能方法包括：

S1101、由所述取能电极在高压输电导线所产生的交变电场的作用下产生空间位移电流。所述取能电极包括内电极层、外电极层和设置在所述内电极层和所述外电极层之间的电介质层；所述电介质层填充有绝缘材料所述电介质层的厚度沿着所述高压输电导线延伸方向不完全相同。

S1102、由所述整流储能模块将所述空间位移电流整流成直流电流，并基于所述直流电流为所述取能电容充电。

S1103、由所述放电控制模块在阈值电压下将取能电容的电能存储至所述储能电容；所述阈值电压基于所述放电控制模块的结构被确定。所述阈值电压包括放电阈值电压和充电阈值电压。

S1104、由所述稳压模块在所述储能电容输出的电压处于稳压的状态时，将所述储能电容所储存的电能提供给负载。

本实施例提供的一种基于电场感应的取能方法，包括取能电极、整流储能模块、取能电容、放电控制模块、储能电容和稳压模块：取能电极，用于在高压输电导线所产生的交变电场的作用下产生空间位移电流；所述取能电极包括内电极层、外电极层和设置在所述内电极层和所述外电极层之间的电介质层；所述电介质层填充有绝缘材料所述电介质层的厚度沿着所述高压输电导线延伸方向不完全相同；整流储能模块，用于将所述空间位移电流整流成直流电流，并为所述取能电容充电；放电控制模块，用于将所述取能电容的电能存储至所述储能电容；稳压模块，用于在所述储能电容输出的电压处于稳压的状态时，将所述储能电容所储存的电能提供给负载。与现有技术相比，一方面，该取能电源的取能电极采用双感应电极结构，缩短了两个带电导体的距离，以增大空间位移电流；另一方面，通过设计放电控制模块中的开关驱动电路，确定放电阈值电压和充电阈值电压，以提高取能电容在充放电过程的平均功率，进而提高取能电源的输出功率，增强取能电源的带负载能力，实现为负载连续供电。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于电场感应的取能电源，其特征在于，所述取能电源包括取能电极、整流储能模块、取能电容、放电控制模块、储能电容和稳压模块；

所述取能电极，用于在高压输电导线所产生的交变电场的作用下产生空间位移电流；所述取能电极包括内电极层、外电极层和设置在所述内电极层和所述外电极层之间的电介质层；所述电介质层填充有绝缘材料；所述电介质层的厚度沿着所述高压输电导线延伸方向不完全相同；

所述整流储能模块，用于将所述空间位移电流整流成直流电流，并基于所述直流电流为所述取能电容充电；

所述放电控制模块，用于在阈值电压下将所述取能电容的电能存储至所述储能电容；所述阈值电压基于所述放电控制模块的结构被确定，所述阈值电压包括放电阈值电压和充电阈值电压；

所述稳压模块，用于在所述储能电容输出的电压处于稳压的状态时，将所述储能电容所储存的电能提供给负载。

2.根据权利要求1所述的取能电源，其特征在于，所述电介质层的厚度沿着所述高压输电导线延伸方向不完全相同包括：所述电介质层在所述高压输电导线延伸方向上两端的厚度大于中间的厚度。

3.根据权利要求1所述的取能电源，其特征在于，所述内电极层套在所述高压输电导线上，所述内电极层的一个连接端与所述高压输电导线连接，所述外电极层的一个连接端与所述整流储能模块的一个输入端连接；

或者，所述外电极层悬置于所述高压输电导线之下，所述外电极层的一个连接端与所述高压输电导线连接，所述内电极层的一个连接端与所述整流储能模块的一个输入端连接；

或者，所述外电极层悬置于杆塔上，所述杆塔用于支撑所述高压输电导线，所述内电极层的一个连接端与所述高压输电导线连接，所述外电极层的一个连接端与所述整流储能模块的一个输入端连接。

4.根据权利要求1所述的取能电源，其特征在于，所述放电控制模块包括：开关驱动电路、第一开关器、平波电抗器以及续流二极管；

所述开关驱动电路，用于监测所述取能电容的电压，并根据监测的所述取能电容的电压产生控制所述第一开关器导通或者关断的电平信号；

所述第一开关器，用于根据接收的所述开关驱动电路所产生的电平信号导通或者关断；

所述平波电抗器，用于在所述第一开关器导通时，在对所述取能电容产生的直流电流进行滤波后，为所述储能电容、所述稳压模块和所述负载充电；

所述续流二极管，用于在所述第一开关器关断时，为所述平波电抗器提供电流通路，以使所述储能电容为所述稳压模块和所述负载充电。

5.根据权利要求4所述的取能电源，其特征在于，所述开关驱动电路在监测到所述取能电容的电压上升至所述放电阈值电压时，产生控制所述第一开关器导通的高电平信号；并在监测到所述取能电容的电压下降至所述充电阈值电压时，产生控制所述第一开关器关断的低电平信号。

6.根据权利要求5所述的取能电源，其特征在于，所述开关驱动电路包括：电压采样分压电路、电容器、电压滞回比较电路以及电压倒向比例电路；

所述电压采样分压电路，用于对监测到的所述取能电容的电压进行分压，以得到第一分压和第二分压；所述第一分压用于对所述电容器进行充电；

所述电容器，用于为所述电压滞回比较电路和所述电压倒向比例电路提供工作电能；

所述电压滞回比较电路，用于基于所述电容器两端的电压确定电压门限值，并根据所述第二分压和所述电压门限值的比较结果产生初始电平信号；所述电压门限值包括电压上门限值和电压下门限值；

所述电压倒向比例电路，用于获取所述初始电平信号，并将所述初始电平信号反向，得到控制所述第一开关器导通或者关断的电平信号。

7.根据权利要求6所述的取能电源，其特征在于，所述电压采样分压电路包括第一电阻、第二电阻和第三电阻；

所述阈值电压基于所述放电控制模块的结构被确定包括：基于第一电阻、第二电阻、第三电阻、所述电压上门限值和所述电压下门限值，确定所述阈值电压。

8.根据权利要求6所述的取能电源，其特征在于，所述电压滞回比较电路在所述第二分压小于所述电压上门限值时，产生并输出高电平信号；

在所述第二分压上升至所述电压上门限值时，产生并输出低电平信号；

在所述第二分压下降至所述电压下门限值时，产生并输出高电平信号。

9.根据权利要求6所述的取能电源，其特征在于，所述开关驱动电路还包括：第二开关器，所述第二开关器根据所述第一分压导通或者关断；

当所述第二开关器导通时，所述取能电容对所述电容器进行充电；

当所述第二开关器关断时，所述取能电容停止对所述电容器进行充电。

10.一种基于电场感应的取能方法，其特征在于，所述取能方法应用于如权利要求1至9中任一所述的基于电场感应的取能电源，所述取能电源包括取能电极、整流储能模块、取能电容、放电控制模块、储能电容和稳压模块，所述取能方法包括：

由所述取能电极在高压高电导线所产生的交变电场的作用下产生空间位移电流；所述取能电极包括内电极层、外电极层和设置在所述内电极层和所述外电极层之间的电介质层；所述电介质层填充有绝缘材料；所述电介质层的厚度沿着所述高压输电导线延伸方向不完全相同；

由所述整流储能模块将所述空间位移电流整流成直流电流，并基于所述直流电流为所述取能电容充电；

由所述放电控制模块在阈值电压下将取能电容的电能存储至所述储能电容；所述阈值电压基于所述放电控制模块的结构被确定，所述阈值电压包括放电阈值电压和充电阈值电压；

由所述稳压模块在所述储能电容输出的电压处于稳压的状态时，将所述储能电容所储存的电能提供给负载。

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